Nguyễn Anh Tuấn, Trần Thiên Thanh, Võ Nguyễn Quốc Bảo

PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG HỆ THỐNG
CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
THU THẬP NĂNG LƯỢNG TỪ NGUỒN PHÁT
Nguyễn Anh Tuấn*, Trần Thiên Thanh**, Võ Nguyễn Quốc Bảo#
*
Cục Tần số vô tuyến điện-Bộ Thông tin và Truyền thông
**Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP. Hồ Chí Minh
#
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Tóm tắt- Bài báo này nghiên cứu mạng chuyển tiếp
hai chiều sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng từ
nguồn phát năng lượng. Các nút mạng không có
năng lượng lưu trữ mà sử dụng năng lượng thu
thập từ nguồn phát năng lượng để cung cấp cho các
hoạt động truyền phát. Chúng tôi đã đề xuất
phương pháp để phân tích xác suất dừng chính xác
của hệ thống và biểu diễn dưới dạng tường minh.
Kết quả mô phỏng đã xác nhận tính chính xác của
kết quả phân tích và chỉ ra rằng vị trí của nguồn
phát và nút chuyển tiếp ảnh hưởng rất lớn đến hiệu
năng của hệ thống.
Từ khóa- chuyển tiếp hai chiều, fading Rayleigh, thu
thập năng lượng vô tuyến, nguồn phát năng lượng
I. GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, công nghệ thu thập
năng lượng là một hướng nghiên cứu sôi động và
được các nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm
[1-3] như là một phần của công nghệ truyền thông
xanh [4-7]. Bên cạnh thu thập năng lượng từ nguồn

tự nhiên ví dụ như gió, thủy triều, ánh sáng mặt
trời, thu thập năng lượng từ sóng vô tuyến có
nhiều ưu điểm như tính ổn định, chủ động, và dễ
dàng áp dụng cho các mạng thông tin vô tuyến [810]. Công nghệ thu thập năng lượng vô tuyến cho
phép các nút mạng thu năng lượng bên cạnh thông
tin từ tín hiệu vô tuyến để chuyển đổi thành năng
lượng phục vụ cho các hoạt động truyền phát của
mạng [11, 12]. Công nghệ này này cho phép kéo
dài thời gian hoạt động của các nút mạng vô tuyến
ngay cả khi nút mạng không được cấp nguồn tại
chỗ, đặc biệt hữu dụng cho các mạng cảm biến
không dây. Hiện này, có hai kiến trúc trúc cơ bản
trong thu thập năng lượng vô tuyến, đó là (i) thu
thập năng lượng phân chia theo thời gian và (ii)
thu thập năng lượng phân chia theo công suất [12].
Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu nhằm cải
thiện hiệu năng và vùng phủ sóng của mạng thu
thập năng lượng, ví dụ như: [13] đề xuất phương

pháp phân tích hiệu năng của mạng chuyển tiếp
thu thập năng lượng, [14] đề xuất phương pháp
phân tích hiệu năng dựa trên chuỗi Taylor cho
mạng chuyển tiếp có lựa chọn nút chuyển tiếp,
[15] đề xuất phương pháp phân tích hiệu năng mới
cho mạng Multi-Input Multi-Output chuyển tiếp
thu thập năng lượng thu thập năng lượng, [16]
khảo sát ảnh hưởng của kênh truyền không hoàn
hảo trong lựa chọn nút chuyển tiếp của mạng
chuyển tiếp thu thập năng lượng, [17, 18] áp dụng
kỹ thuật distributed switch-and-stay cho mang

chuyển tiếp thu thu thập năng lượng, [19] tận dụng
kênh truyền trực tiếp cho hệ thống chuyển tiếp đa
người dùng sử dụng kỹ thuật SWIPT
(Simultaneous Wireless Information and Power
Transfer), [20] khảo sát hiệu năng của mạng
chuyển tiếp đa chặng theo cụm với kỹ thuật thu
thập năng lượng, [21] khảo sát thông lượng của
mạng thu thập năng lượng có nguồn phát.
Bên cạnh kỹ thuật thu thập năng lượng, kỹ thuật
chuyển tiếp là một kỹ thuật hiệu quả để mở rộng
vùng phủ sóng của mạng vô tuyến, đặc biệt là
mạng vô tuyến thu thập năng lượng do năng lượng
thu thập hiện nay vẫn ở mức mW [22-24]. Trong
các kỹ thuật chuyển tiếp, chuyển tiếp hai chiều cho
hiệu suất phổ tần cao nhất [25, 26]. Cho đến nay,
kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều đã được xem xét
cho nhiều công nghệ tiên tiến ở lớp vật lý, ví dụ
như vô tuyến nhận thức [27-29], bảo mật lớp vật lý
[30], song công [31], gói tin ngắn [32], và điều chế
không gian [33].
Gần đây, kỹ thuật thu thập năng lượng cũng được
áp dụng cho mạng chuyển tiếp hai chiều, ví dụ ở
những bài báo [34], [35], [36], [37]. Cụ thể, trong
[34], nhóm tác giả đã đánh giá hiệu năng của hệ
thống truyền chuyển tiếp hai chiều trong môi
trường vô tuyến nhận thức với nút chuyển tiếp thu
thâp năng lượng trong điều kiện suy giảm phần
cứng. Trong bài báo [35], Tutuncuoglu và cộng sự
đã đề xuất các giao thức cho phép tôi đa tổng
thông lượng của mạng chuyển tiếp hai chiều với

giả sử các nút mạng hoạt động dựa trên năng lượng

Tác giả liên hệ: Nguyễn Anh Tuấn
Email:
Đến tòa soạn: 16/4/2018, chỉnh sửa: 10/5/2018, chấp nhận đăng: 20/5/2018

SỐ 01 & 02 (CS.01) 2018

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

29


PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU …

thu thập và không có bộ đêm. Các kết quả phân
tích trong bài báo đã chỉ ra rằng kỹ thuật chuyển
tiếp có ảnh hưởng đáng kể lên giao thức truyền tối
ưu. Bài báo [36] đã xem xét mạng chuyển tiếp hai
chiều thu thập năng lượng vô tuyến với một nút
mạng không thu thập năng lượng và một nút mạng
có sử dụng thu thập năng lượng. Bài báo đã đề
xuất một giao thức truyền tối ưu dựa trên mô hình
thu thập năng lượng ngẫu nhiên. Gần đây, bài báo
[37] đã phân tích chất lượng hệ thống truyền
chuyển tiếp DF hai chiều ba pha thời gian trong đó
nút chuyển tiếp thu thập năng lượng từ tín hiệu vô
tuyến trong hai pha đầu tiên để chuyển đổi thành
nguồn phát tín hiệu trong pha thời gian thứ ba.
Trong bài báo này, nhóm tác giả phân tích chất

lượng hệ thống theo hai thông số là xác suất dừng
và thông lượng. Tuy nhiên, bài báo chưa đưa ra
biểu thức dạng tường minh của xác suất dừng toàn
hệ thống.
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất mô hình
chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật giải mã và
chuyển tiếp sử dụng năng lượng thu thập với bốn
khe thời gian. Các nút mạng thu thập năng lượng
từ nguồn phát năng lượng độc lập. Chúng tôi phân
tích và biểu diễn xác suất dừng hệ thống ở kênh
truyền fading Rayleigh ở dạng tường minh. Các
kết quả phân tích là mới và là đóng góp quan
trọng. Các kết quả phân tích trong bài báo là
những kết quả bước đầu để phân tích những mô
hình phức tạp hơn khi sử dụng chuyển tiếp hai
chiều và nhiều nguồn phát năng lượng.
Các phần tiếp theo của bài báo được bố cục như
sau. Phần II là Mô hình hệ thống. Phần III phân
tích xác suất dừng chính xác của hệ. Phần IV trình
bày kết quả mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng
kết quả phân tích lý thuyết và khảo sát đặc tính của
hệ thống. Phần V là phần kết luận của bài báo.

lượng thu thập từ PB. Mô hình này rất thực tế thường
ứng dụng cho mạng cảm biến không dây với các nút
mạng thường dựa vào năng lượng thu thập để hoạt
động.
Quá trình truyền năng lượng và thông tin của hệ
thống diễn ra trong bốn khe thời gian con có thời gian
(1   )T (1   )T

(1   )T
lần lượt là: T ,
,
, và
với
3
3
3
 là hệ số phân chia thời gian với   (0,1) và T là
thời gian truyền của một symbol chuẩn trong chế độ
truyền trực tiếp. Trong thực tế, giá trị  là một tham
số hiệu năng quan trọng, và có thể chọn  để hiệu
năng hệ thống tối ưu [41] [42].
Trong khe thời gian con thứ nhất, PB phát năng
lương cho các nút A, B, và R. Trong khe thời gian
con thứ 2 và 3, nút nguồn A và B lần lượt truyền
thông tin về nút chuyển tiếp R. Trong khe thời gian
cuối cũng, nút R chuyển tiếp thông tin nhận được từ
nút A (và B) về nguồn B (và A) dùng giao thức giải
mã và chuyển tiếp.
Gọi h

với

 A,B,R,P và

hệ số kênh truyền từ




, ta có h

 A,B,R là
2

có phân bố

hàm mũ với giá trị trung bình XY khi xem xét hệ
thống ở kênh truyền fading Rayleigh.
Xem xét khe thời gian con thứ nhất, năng lượng thu
thập tại nút A, B và R từ PB lần lượt như sau:

EA   PPBT hPA

2

,

(1)

EB   PPBT hPB ,

(2)

ER   PPBT hPR

(3)

2


và
2

với  là hiệu năng thu thập năng lượng và PPB là
công suất phát trung bình của PB.

II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
PB

(1   )T
, ta tính
3
được công suất phát của A, B, và R như sau:
Xem xét trong khoảng thời gian

A

Phase 1
Phase 2

R

B

Phase 3

PB 

Phase 4


Hình 1 Hệ thống chuyển tiếp hai chiều thu thập năng
lượng sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp DF với một nguồn
phát năng lượng.

Hệ thống chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lượng
gồm hai nút nguồn (ký hiệu A và B), một nút chuyển
tiếp (ký hiệu R) và một nút cung cấp năng lượng (ký
hiệu PB). Giả sử rằng các nút A, B, và R đều không
được trang bị nguồn năng lượng và phải sử dụng năng
SỐ 01 & 02 (CS.01) 2018

PA 

3 PPB hPA

2

1
3 PPB hPA

,

(4)

,

(5)

.


(6)

2

1

và

PR 

3 PPB hPR
1

2

Khi đó, ta có tỷ số tín hiệu nhận được tại R trong
khe thời gian con thứ 2 và 3 như sau:

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

30


Nguyễn Anh Tuấn, Trần Thiên Thanh, Võ Nguyễn Quốc Bảo

 AR 

PA hAR

 BR 


PA hBR

2

2



N0
2

N0

2

(7)

 RB 

2

N0
PA hAR

2


2


(8)

N0

Sử dụng xác suất có điều kiện, ta có thể viết


Pr   AR   th   1   Fh

2

AR

2

(9)

hAR

( ) và f h

(10)

Fh

Trong phần này, chúng tôi sẽ phân tích xác suất
dừng của hệ thống ở kênh truyền fading Rayleigh.
Xem xét ba khe thời gian con để truyền thông tin, hệ
thống chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật giải mã
và chuyển tiếp sẽ bị dừng nếu bất kỳ một khe thời

gian con nào không đảm bảo tốc độ dữ liệu mong
muốn cho trước,
. Áp dụng định luật tổng xác suất,
ta có thể viết xác suất dừng hệ thống như sau

với

 Pr  f ( AR ) 

, f ( BR ) 

, f ( R ) 

f ( ) 

và f

hAR

1
log 2 (1   ) với
3

2



 R là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tương đương của khe
thời gian con thứ 4.


2

( )

 Pr( AR   th ) Pr( BR   th ) Pr  R   th 
 1  Pr  AR   th  Pr  BR   th  Pr  R   th 

(13)
3R
1

với  th  2  1 và dấu “=” ở (13) có được do sử
dụng tính chất Pr  XY   th   1  Pr  XY   th  .

OP , ta cần tín toán Pr  AR   th  ,

Pr  BR   th  và Pr  R   th  . Cụ thể ta viết lại (7)
như sau:

(16)

( ) có dạng

2

( ) 

1

AR


  
exp  

 AR 

(17)





 1
 th N 0  
  th   1   1  exp  

 AR 3 PPB   
0

AP
1



  
1

exp   AP  d  AP
AR
 AP 




 1
 th N 0
 AP 
1

exp  

 d
AR 0
AP  AP
 AR 3 PPB 

AP
1




Sử dụng biến đổi (3.321.1) ở [44], ta được

(12)

Pr   AR   th   2

 th (1   ) N 0
3 PPB AR AP



 th (1   ) N 0
 1 2
 3 P  
PB AR AP


OP  Pr   AR   th   Pr  AR   th ) Pr( BR   th 

SỐ 01 & 02 (CS.01) 2018

hAR

(18)

Từ (7), (8), và (12), ta có thể viết OP lại do tính độc
lập thống kê của  AR ,  AR , và  R như sau:

Để tìm được

. Thay thế F

vào (15), ta được

AR, BR, R ;

 R  min( RA ,  RB ) .

2


hAP

  
( )  1  exp  

 AR 

AR

(11)

Khi nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật giải mã và
chuyển tiếp, ta có thể viết [43]

2

fh

Pr   AR




( ) lần lượt là hàm CDF của

và hàm PDF của

III. PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG HỆ THỐNG

, f ( BR ) 


(15)

có dạng

2

3 PPB hPR hRB

.
1
N0

 Pr  f ( AR ) 

2



  th N 0 

 f h 2 ( x)dx
 3 PPB x  PA
 1


PA

AR


OP  Pr  f ( AR ) 

2

AR

0

với Fh

2

3 PPB hPR hRA
,
1
N0
2


  th 



(14)

Tương tự, ta có tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại A và B
trong khe thời gian con thứ 4 như sau

PA hAR


2

2

3 PPB hPB hBR

.
1
N0

với N 0 là công suất nhiễu trắng tại máy thu.

 RA 

 3 P hPA 2 hAR
PB
Pr   AR   th   1  Pr 
 1
N0


2

3 PPB hPA hAR
,
1
N0

với


1





(19)

 x  làm hàm Bessel điều chỉnh loại 2 bậc 1

[45].
Từ (7) và (8), ta nhận thấy rằng  AR và  BR có

cùng một dạng, nên từ Pr  AR   th  , ta dễ dàng suy
ra Pr  BR   th  như sau:
Pr   BR   th   2

 th (1   ) N 0
3 PPB BR BP


 th (1   ) N 0
 1 2
 3 P  
PB BR BP







TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

.

(20)

31


PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU …

Bây giờ ta sẽ tìm Pr  R   th  bằng cách xem xét

 RA và  RB ở (9) và (10) và nhận thấy  RA và  RB là
tương quan với nhau do có một thành phần chung
2
hPR . Do đó, áp dụng xác xuất có điều kiện, ta có thể
viết Pr  R   th  như sau:


Pr  R   th    F R γPR ( th ) f γPR (γ PR )dγ PR . (21)
0

Nhắc lại (12), ta có thể viết
F R γPR ( th )  1  Pr  RA γPR   th ,  RB γPR   th  .

(22)
Khi điều kiện trên γ PR ,  RA γ PR và  RB γPR là độc
lập thống kê với nhau, nên ta có thể viết lại (22) như

sau:
F R γPR ( th )  1  Pr  RA γPR   th  Pr  RB γPR   th  .

Cuối, thay thế (19), (20) và (27) vào (13), ta có
được kết quả dạng đóng của xác suất dừng hệ thống ở
kênh truyền fading Rayleigh.
V. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Trong phần này chúng tôi sẽ thực hiện mô phỏng
Monte Carlo để kiểm chứng kết quả lý thuyết phân
tích ở phần trên và khảo sát đặc tính của hệ thống. Để
đơn giản, chúng ta giả sử hệ thống được đặt trên một
mặt phằng hai chiều và các nút nguồn A, B, R và PB
có tọa độ lần lượt là: (0, 0), (1, 0), (0.5, 0), và
( xPB , yPB ) ngoại trừ các khai báo khác. Với kênh
truyền, chúng ta sử dụng mô hình suy hao đường
truyền đơn giản để mô hình hóa độ lợi kênh truyền
trung bình, cụ thể   d  với d
là khoảng
cách vật lý giữa
và
và  hệ số suy hao đường
truyền có giá trị từ 2 đến 6, với   3 . Các tham số
hệ thống có giá trị như sau:   0.6 và
1.

(23)
Ở kênh fading Rayleigh, ta có

 N (1   ) 
2


Pr   RA γ PR   th   Pr  hRA  th 0
2

3 PPB hPR 


 th N 0 (1   ) 

 exp  
 3 P  h 2 
PB RA
PR

 .(24)

Tương tự, ta có

 th N 0 (1   )
Pr   RB γ PR   th   exp  
 3 P  h
PB RB PR


2


 . (25)




Kết hợp (22), (23), (24), và (25), ta có

Hình 2 Xác suất dừng hệ thống theo PPB : ảnh hưởng
của

 với ( xPB , yPB )  (0.5,1) và d AR  0.5 .



  N (1   ) 
  th N 0 (1   )  
Pr   R   th    1  exp   th 0
 exp  

3

P




PB RA PR 
 3 PPB RB PR  
0
  
1

exp   PR  d  PR
PR

 PR 

(26)
với  PR  hPR

2

.

Sử dụng lại biến đổi (3.321.1) ở [44], ta có

 th (1   ) N 0
Pr   R   th   1   2
3
 PPB AR AP


 th (1   ) N 0
 2
 3 PPB BR BP


 
 


 th (1   ) N 0
 2
3
 PPB AR AP




 th (1   ) N 0
 2
 3 PPB BR BP


 
 

.
Hình 3 Xác suất dừng hệ thống theo  : ảnh hưởng của
PPB với ( xPB , yPB )  (0.5,1) và d AR  0.5 .

 th N 0 (1   )  1
1 



3 PPB PR  RA RB 

2


1

1

1


  N (1   )  1
1
 2 th 0



3 PPB PR  RA RB




 

(27)

SỐ 01 & 02 (CS.01) 2018

Hình 2 khảo sát ảnh hướng của hệ số  lên xác
suất dừng của hệ thống bằng cách vẽ xác suất dừng hệ
thống theo PPB . Ta xem xét ba trường hợp của hệ số
 , đó là 0.25, 0.5 và 0.75. Kết quả trong Hình 2 chỉ
ra rằng giá trị hệ thống sẽ có giá trị xác suất dừng

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

32


Nguyễn Anh Tuấn, Trần Thiên Thanh, Võ Nguyễn Quốc Bảo

thấp nhất khi   0.25 và xác suất dừng lớn nhất khi
  0.75 . Bên cạnh đó, kết quả lý thuyết và kết quả
mô phỏng trùng khít nhau, xác nhận phương pháp
phân tích xác suất dừng ở phân trên là đúng đắn.
Để hiểu rõ ảnh hưởng của giá trị  , ta vẽ xác suất
dừng hệ thống theo  với ba trường hợp của
PPB trong Hình 3. Từ Hình 3 ta thấy rằng, xác suất
dừng hệ thống phụ thuộc mạnh vào giá trị  . Khi giá
trị  lớn hơn 0.7, thì hệ thống hoàn toàn bị dừng,
nghĩa là thời gian không đủ để truyền dữ liệu theo tốc
độ mong muốn. Hình 3 chỉ ra rằng tồn tại một giá trị
 tối ưu làm cho xác suất dừng hệ thống là nhỏ nhất.
Kết quả phân tích trong Hình 3 cũng chỉ ra rằng giá trị
 tối ưu là không phụ thuộc vào PPB và đều cho cùng
một giá trị là 0.31.

thu thập tại nút chuyển tiếp sẽ cải thiện hiệu năng của
hệ thống một cách đang kể. Tuy nhiên, giá trị tối ưu
của  lại không phụ thuộc vào vị trí của PB như chỉ
ra ở Hình 5. Hình 5 cũng chỉ ra rằng trong cả 3 trường
hợp, xác suất dừng hệ thống là nhỏ nhất khi
  0.31 .

Hình 6 Xác suất dừng hệ thống theo  : ảnh hưởng của
vị trí R với ( xPB , yPB )  (0.5,1) và   0.3 .

Hình 4 Xác suất dừng hệ thống theo PPB : ảnh hưởng
của vị trí PB với   0.3 và d AR  0.5 .

Trong Hình 6 và 7, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng

của vị trí nút chuyển tiếp R lên hiệu năng của hệ
thống. Giả sử rằng R nằm trên đường thẳng kết nối
giữa nút nguồn A và B và khoảng cách giữa nguồn A
và B là chuẩn hóa bằng 1, chúng tôi xem xét 3 trường
hợp tiêu biểu của R, cụ thể là R rất gần nguồn A tại
tọa độ (0.1, 0), R rất gần nguồn B tại tọa độ (0.5, 0),
và R nằm ngay giữa nguồn A và nguồn B tại tọa độ
(0.8, 0). Tương tự như các mạng chuyển tiếp hai
chiều truyền thống, nút nguồn nằm tại ngay giữa
nguồn A và nguồn B cho xác suất dừng hệ thống thấp
nhất, tiếp theo là trường hợp nút chuyển tiếp nằm gần
nguồn B và cuối cùng là trường hợp nút chuyển tiếp
nằm gần nguồn A. Các kết quả đạt được là hợp lý với
kết quả phân tích và như mong đợi và dễ dàng lý giải
bằng cách vận dụng hiệu ứng suy hao đường truyền.

Hình 5 Xác suất dừng hệ thống theo  : ảnh hưởng của
vị trí PB với PPB  10 dB và d AR  0.5 .

Trong Hình 4, ta khảo sát ảnh hưởng vị trí của PB
lên xác suất dừng của hệ thống. Ta xem xét ba vị trí
tiêu biểu của PB bao gồm: Trường hợp 1: PB rất gần
nguồn A tại tọa độ (0, 0.3), Trường hợp 2: PB rất gần
nút chuyển tiếp R tại tọa độ (0.5, 0.3), và Trường hợp
3: PB rất gần nút nguồn B tại tọa độ (1, 0.3). Ta thấy
rằng Trường hợp 2 cho xác suất dừng tốt hơn Trường
hợp 3, và Trường hợp 3 cho xác suất dừng tốt hơn
Trường hợp 1. Hay nói các khác, cải thiện năng lượng
SỐ 01 & 02 (CS.01) 2018


Hình 7 Xác suất dừng hệ thống theo  : ảnh hưởng của
vị trí R với ( xPB , yPB )  (0.5,1) và PPB  10 dB.

Trong Hình 7, chúng ta lại có thể khẳng định một
lần nữa là hệ thống sẽ bị dừng nên giá trị  lớn và giá
trị tối ưu của  không phụ thuộc vào vị trí của nút

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

33


PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU …

chuyển tiếp trong cả ba trường hợp mà chúng ta khảo
sát. Trong phạm vi bài báo này, chúng tôi chưa tìm
dạng đóng của giá trị  tối ưu, tuy nhiên các kết quả
đạt được trong bài báo này sẽ là một trong những sở
cứ quan trọng để chúng tôi tìm tòi và phân tích giá trị
 tối ưu

[7]

[8]

V. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất mô hình
chuyển tiếp hai chiều giải mã và chuyển tiếp với một
nút cung cấp năng lượng. Chúng tôi đã phân tích xác
suất dừng hệ thống ở kênh truyền fading Rayleigh và

sử dụng mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng tính
chính xác của phương pháp phân tích đề xuất. Các kết
quả mô phỏng đã chỉ ra rằng giá trị  tối ưu không
phụ thuộc vào vị trí của PB và R và hiệu năng của hệ
thống sẽ cải thiện tốt nhất nếu PB được đặt gần nút
chuyển tiếp.

[9]

[10]

LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa
học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề
tài mã số 102.04-2014.32
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
A. A. Nasir, Z. Xiangyun, S. Durrani, and R.
A. Kennedy, "Relaying Protocols for
Wireless Energy Harvesting and Information
Processing," Wireless Communications,
IEEE Transactions on, vol. 12, no. 7, pp.
3622-3636, 2013.
[2]
N. Zlatanov, R. Schober, and Z. HadziVelkov, "Asymptotically Optimal Power
Allocation
for
Energy
Harvesting
Communication

Networks,"
IEEE
Transactions on Vehicular Technology, vol.
PP, no. 99, pp. 1-1, 2017.
[3]
V. D. Nguyen, T. Q. Duong, H. D. Tuan, O.
S. Shin, and H. V. Poor, "Spectral and
Energy Efficiencies in Full-Duplex Wireless
Information and Power Transfer," IEEE
Transactions on Communications, vol. PP,
no. 99, pp. 1-1, 2017.
[4]
X. Huang, T. Han, and N. Ansari, "On Green
Energy
Powered
Cognitive
Radio
Networks," Communications Surveys &
Tutorials, IEEE, vol. PP, no. 99, pp. 1-1,
2015.
[5]
M. Yuyi, L. Yaming, Z. Jun, and K. B.
Letaief, "Energy harvesting small cell
networks: feasibility, deployment, and
operation," Communications Magazine,
IEEE, vol. 53, no. 6, pp. 94-101, 2015.
[6]
S. A. Raza Zaidi, A. Afzal, M. Hafeez, M.
Ghogho, D. C. McLernon, and A. Swami,
"Solar energy empowered 5G cognitive

metro-cellular networks," Communications
Magazine, IEEE, vol. 53, no. 7, pp. 70-77,
2015.

SỐ 01 & 02 (CS.01) 2018

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

Y. Zou, J. Zhu, and R. Zhang, "Exploiting
Network Cooperation in Green Wireless
Communication," Communications, IEEE
Transactions on, vol. PP, no. 99, pp. 1-12,
2013.
Z. Ding et al., "Application of smart antenna
technologies in simultaneous wireless
information
and
power

transfer,"
Communications Magazine, IEEE, vol. 53,
no. 4, pp. 86-93, 2015.
I. Krikidis, S. Timotheou, S. Nikolaou, Z.
Gan, D. W. K. Ng, and R. Schober,
"Simultaneous wireless information and
power transfer in modern communication
systems," Communications Magazine, IEEE,
vol. 52, no. 11, pp. 104-110, 2014.
L. Xiao, P. Wang, D. Niyato, D. Kim, and Z.
Han, "Wireless Networks with RF Energy
Harvesting: A Contemporary Survey," IEEE
Communications Surveys & Tutorials, vol.
PP, no. 99, pp. 1-1, 2015.
L. Liu, R. Zhang, and K. C. Chua, "Wireless
Information and Power Transfer: A Dynamic
Power
Splitting
Approach,"
IEEE
Transactions on Communications, vol. 61,
no. 9, pp. 3990-4001, 2013.
X. Zhou, R. Zhang, and C. K. Ho, "Wireless
Information
and
Power
Transfer:
Architecture Design and Rate-Energy
Tradeoff,"
Communications,

IEEE
Transactions on, vol. 61, no. 11, pp. 47544767, 2013.
A. A. Nasir, Z. Xiangyun, S. Durrani, and R.
A. Kennedy, "Relaying Protocols for
Wireless Energy Harvesting and Information
Processing," IEEE Transactions on Wireless
Communications, vol. 12, no. 7, pp. 36223636, 2013.
N. Do, V. Bao, and B. An, "Outage
Performance Analysis of Relay Selection
Schemes in Wireless Energy Harvesting
Cooperative Networks over Non-Identical
Rayleigh Fading Channels," Sensors, vol. 16,
no. 3, p. 295, 2016.
N. A. Tuan, V. N. Q. Bao, and L. Q. Cường,
"A New Derivation Approach for
Simultaneous Wireless Information and
Power Transfer for MIMO Dual-Hop Relay
Networks," Journal of Science and
Technology
on
Information
and
Communications, no. 1, pp. 50-56%V 1,
2017-09-19 2017.
V. N. Q. Bao and N. A. Tuấn, "Effect of
imperfect CSI on wirelessly powered
transfer incremental relaying networks,"
Journal of Science and Technology on
Information and Communications, no. 3-4,
pp. 48-57%V 1, 2017-04-11 2017.

Q. N. Le, N. T. Do, V. N. Q. Bao, and B. An,
"Full-duplex distributed switch-and-stay
networks with wireless energy harvesting:
design and outage analysis," EURASIP

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

34


Nguyễn Anh Tuấn, Trần Thiên Thanh, Võ Nguyễn Quốc Bảo

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]


[27]

Journal on Wireless Communications and
Networking, journal article vol. 2016, no. 1,
p. 285, December 15 2016.
Q. N. Le, V. N. Q. Bao, and B. An, "Fullduplex distributed switch-and-stay energy
harvesting selection relaying networks with
imperfect CSI: Design and outage analysis,"
Journal of Communications and Networks,
vol. 20, no. 1, pp. 29-46, 2018.
N. T. Do, D. B. da Costa, T. Q. Duong, V. N.
Q. Bao, and B. An, "Exploiting Direct Links
in Multiuser Multirelay SWIPT Cooperative
Networks With Opportunistic Scheduling,"
IEEE
Transactions
on
Wireless
Communications, vol. 16, no. 8, pp. 54105427, 2017.
N. T. Van, T. N. Do, V. N. Q. Bao, and B.
An, "Performance Analysis of Wireless
Energy Harvesting Multihop Cluster-Based
Networks Over Nakagami- ${m}$ Fading
Channels," IEEE Access, vol. 6, pp. 30683084, 2018.
N. P. Le, "Throughput Analysis of PowerBeacon-Assisted
Energy
Harvesting
Wireless Systems Over Non-Identical
Nakagami-<inline-formula>

notation="LaTeX">${m}$
</texmath></inline-formula> Fading Channels,"
IEEE Communications Letters, vol. 22, no.
4, pp. 840-843, 2018.
C. R. Valenta and G. D. Durgin, "Harvesting
Wireless Power: Survey of Energy-Harvester
Conversion Efficiency in Far-Field, Wireless
Power Transfer Systems," Microwave
Magazine, IEEE, vol. 15, no. 4, pp. 108-120,
2014.
A. Costanzo and D. Masotti, "Smart
Solutions in Smart Spaces: Getting the Most
from Far-Field Wireless Power Transfer,"
IEEE Microwave Magazine, vol. 17, no. 5,
pp. 30-45, 2016.
Y. Liu, Z. Ding, M. Elkashlan, and H. V.
Poor, "Cooperative non-orthogonal multiple
access
with
simultaneous
wireless
information and power transfer," IEEE
Journal
on
Selected
Areas
in
Communications, vol. 34, no. 4, pp. 938-953,
2016.
B. Rankov and A. Wittneben, "Achievable

rate regions for the two-way relay channel,"
in Information Theory, 2006 IEEE
International Symposium on, 2006, pp. 16681672: IEEE.
P. Popovski and H. Yomo, "Physical
Network Coding in Two-Way Wireless
Relay Channels," in Communications, 2007.
ICC '07. IEEE International Conference on,
2007, pp. 707-712.
H. V. Toan and V. N. Q. Bao, "Opportunistic
relaying for cognitive two-way network with
multiple primary receivers over Nakagami-m
fading," in 2016 International Conference on

SỐ 01 & 02 (CS.01) 2018

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]

[34]

[35]

[36]

[37]

[38]

Advanced Technologies for Communications
(ATC), 2016, pp. 141-146.
H. V. Toan, V. N. Q. Bao, and K. N. Le,
"Performance analysis of cognitive underlay
two-way relay networks with interference
and imperfect channel state information,"
EURASIP
Journal
on
Wireless
Communications and Networking, journal
article vol. 2018, no. 1, p. 53, March 06
2018.
T. H. Van, B. Vo-Nguyen, and N.-L. Hung,
"Cognitive Two-Way Relay Systems with
Multiple Primary Receivers: Exact and
Asymptotic Outage Formulation," (in En),
IET Communications, 2017.
F. Jameel, S. Wyne, and Z. Ding, "Secure
Communications in Three-step Two-way
Energy Harvesting DF Relaying," IEEE
Communications Letters, vol. PP, no. 99, pp.
1-1, 2017.

Z. Zhang, Z. Ma, Z. Ding, M. Xiao, and G.
Karagiannidis, "Full-Duplex Two-Way and
One-Way Relaying: Average Rate, Outage
Probability
and
Tradeoffs,"
IEEE
Transactions on Wireless Communications,
vol. PP, no. 99, pp. 1-1, 2016.
Y. Gu, H. Chen, Y. Li, L. Song, and B.
Vucetic, "Short-Packet Two-Way Amplifyand-Forward Relaying," IEEE Signal
Processing Letters, vol. 25, no. 2, pp. 263267, 2018.
J. Zhang, Q. Li, K. J. Kim, Y. Wang, X. Ge,
and J. Zhang, "On the Performance of FullDuplex Two-Way Relay Channels With
Spatial Modulation," IEEE Transactions on
Communications, vol. 64, no. 12, pp. 49664982, 2016.
D. K. Nguyen, M. Matthaiou, T. Q. Duong,
and H. Ochi, "RF energy harvesting two-way
cognitive DF relaying with transceiver
impairments," in IEEE International
Conference on Communication Workshop
(ICCW), 2015, no. Jun. , pp. 1970-1975.
K. Tutuncuoglu, B. Varan, and A. Yener,
"Throughput Maximization for Two-Way
Relay Channels With Energy Harvesting
Nodes: The Impact of Relaying Strategies,"
Communications, IEEE Transactions on,
vol. 63, no. 6, pp. 2081-2093, 2015.
W. Li, M. L. Ku, Y. Chen, K. J. R. Liu, and
S. Zhu, "Performance Analysis for Two-Way

Network-Coded Dual-Relay Networks with
Stochastic Energy Harvesting," IEEE
Transactions on Wireless Communications,
vol. PP, no. 99, pp. 1-1, 2017.
N. T. P. Van, S. F. Hasan, X. Gui, S.
Mukhopadhyay, and H. Tran, "Three-Step
Two-Way Decode and Forward Relay With
Energy Harvesting," IEEE Communications
Letters, vol. 21, no. 4, pp. 857-860, 2017.
R. Boris and W. Armin, "Spectral efficient
protocols for half-duplex fading relay

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

35


PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU …

[39]

[40]

[41]

[42]

[43]

[44]

[45]

channels,"
Selected
Areas
in
Communications, IEEE Journal on, vol. 25,
no. 2, pp. 379-389, 2007.
S. Atapattu, J. Yindi, J. Hai, and C.
Tellambura, "Relay Selection Schemes and
Performance Analysis Approximations for
Two-Way Networks," Communications,
IEEE Transactions on, vol. 61, no. 3, pp.
987-998, 2013.
K. Hwang, M. Ju, and M. Alouini, "Outage
Performance of Opportunistic Two-Way
Amplify-and-Forward
Relaying
with
Outdated Channel State Information,"
Communications, IEEE Transactions on,
vol. PP, no. 99, pp. 1-10, 2013.
I. Krikidis, Z. Gan, and B. Ottersten,
"Harvest-use cooperative networks with
half/full-duplex relaying," in Wireless
Communications
and
Networking
Conference (WCNC), 2013 IEEE, 2013, pp.

4256-4260.
T. T. Thanh and V. N. Quoc Bao,
"Wirelessly Energy Harvesting DF Dual-hop
Relaying Networks: Optimal Time Splitting
Ratio and Performance Analysis," Journal of
Science and Technology: Issue on
Information
and
Communications
Technology, no. 2, pp. 16-20%V 3, 2017-1231 2017.
B. Vo Nguyen Quoc and K. Hyung Yun,
"Error probability performance for multi-hop
decode-and-forward relaying over Rayleigh
fading
channels,"
in
Advanced
Communication Technology, 2009. ICACT
2009. 11th International Conference on,
2009, vol. 03, pp. 1512-1516.
I. S. Gradshteyn, I. M. Ryzhik, A. Jeffrey,
and D. Zwillinger, Table of integrals, series
and products, 7th ed. Amsterdam ; Boston:
Elsevier, 2007, pp. xlv, 1171 p.
M. Abramowitz, I. A. Stegun, and Knovel
(Firm). (1972). Handbook of mathematical
functions with formulas, graphs, and
mathematical tables (10th printing, with
corrections.
ed.).

Available:
/>ence/AMS55.ASP?Res=200&Page=-1

EXACT CLOSED-FORM EXPRESSION
OUTAGE PROBABILITY OF DECODE-ANDFORWARD TWO-WAY RELAYING SYSTEM
WITH POWER-BEACON-ASSISTED ENERGY
HARVESTING
Abstract: This paper investigates two-way decodeand-forward relay networks with power beacon
assisted energy harvesting. All nodes are assumed to
have limited power supply and harevest energy from
RF signals to support operation. We propose a new
derivation approach to obtain the exact close form of
system outage probability over Rayleigh fading
channels. Monte Carlo simulations are used to verify
SỐ 01 & 02 (CS.01) 2018

the corerectness of the analysis results and pointing
out that the positions of power beacon and relay have
significant effecton on the system performance.
Keywords- relaying, two-way relaying, fading
Rayleigh, energy harvesting, power beacon.
Nguyễn Anh Tuấn nhận
bằng kỹ sư và bằng thạc sĩ tại
Trường Đại Học Bách Khoa
Hà Nội năm 2002 và năm
2006. ThS. Tuấn hiện đang
công tác tại Cục Tần Số Vô
Tuyến Điện – Bộ Thông tin
và Truyền thông và là nghiên
cứu sinh của Học Viện Công

Nghệ Bưu Chính Viễn
Thông. Hướng nghiên cứu
hiện tại đang quan tâm bao
gồm: thông tin vô tuyến, quy hoạch tần số, kỹ thuật
thu thập năng lượng vô tuyến, phân tích hiệu năng
mạng vô tuyến.
Trần Thiên Thanh hiện đang là
giảng viên thuộc Khoa Công
nghệ Thông tin, trường Đại học
Giao thông Vận tải HCM, nhận
bằng Tiến sĩ vào năm 2016 tại
Trường Đại học Bách Khoa
HCM. Hướng nghiên cứu tập
trung vào các kỹ thuật tiên tiến
cho mạng 5G bao gồm NOMA, thu thập năng lượng
vô tuyến, bảo mật lớp vật lý.
Võ Nguyễn Quốc Bảo tốt
nghiệp Tiến sĩ chuyên
ngành vô tuyến tại Đại học
Ulsan, Hàn Quốc vào năm
2010. Hiện nay, TS. Bảo là
phó giáo sư của Bộ Môn Vô
Tuyến, Khoa Viễn Thông 2,
Học Viện Công Nghệ Bưu
Chính Viễn Thông Cơ Sở
Thành Phố Hồ Chí Minh và
đồng thời là giám đốc của phòng thí nghiệm nghiên
cứu vô tuyến(WCOMM). TS. Bảo hiện là thành viên
chủ chốt (senior member) của IEEE và là tổng biên
tập kỹ thuật của tạp chí REV Journal on Electronics

and Communication. TS. Bảo đồng thời là biên tập
viên (editor) của nhiều tạp chí khoa học chuyên ngành
uy tín trong và ngoài nước, ví dụ: Transactions on
Emerging Telecommunications Technologies (Wiley
ETT), VNU Journal of Computer Science and
Communication Engineering. TS. Bảo đã tham gia tổ
chức nhiều hội nghị quốc gia và quốc tế, ví dụ: ATC
(2013, 2014), NAFOSTED-NICS (2014, 2015, 2016),
REV-ECIT 2015, ComManTel (2014, 2015), và
SigComTel 2017. Hướng nghiên cứu hiện tại đang
quan tâm bao gồm: vô tuyến nhận thức, truyền thông
hợp tác, truyền song công, bảo mật lớp vật lý và thu
thập năng lượng vô tuyến.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

36